空間站夢天艙通風流場試驗及仿真分析

尚文錦，劉桐宇，李英斌，馮紅旗，史寶魯

（中國航天員科研訓練中心，北京 100094）

0 引言

天宮空間站T 字構型建成后，將長期作為我國航天員在軌工作與生活的主要場所，其中夢天艙作為航天員進行在軌空間試驗、載荷出艙的核心艙段，密封艙內部的流場分布狀況，將直接影響航天員在軌的安全性與舒適性，進而影響工作效率與生活質量。與地面環境不同，在微重力環境中，氣體的自然對流基本停滯，必須采用強迫通風對流的方式，才能保證空間站人員活動區域內的流場分布；同時，空間站內部空間相對狹小且封閉，必須優化密封艙內氣體的流速分布，才能保證航天員的安全性與舒適性。本文旨在分析夢天艙人員活動區通風流場，并通過流場試驗與仿真的方法對其進行研究。

目前，對于空間站內部流場的研究，主要集中在仿真計算，缺乏試驗數據的對比分析。例如，國內學者姬朝玥、鄭忠海等［1-3］分析了在不同流量和送風角度等條件下的空間站流場分布。朱學良等［4-6］建立了簡化的三維空間站模型，并將多種不同送風角度下的流場進行對比。此外，國內學者還針對航天員睡眠區等狹小區域內的通風流場進行了研究。其中，付仕明等［7］針對發生故障時航天員睡眠區內CO2的分布情況進行了研究。徐浩等［8］對空間站睡眠區不同送風角度進行了研究。劉桐宇等［9］對空間站睡眠區不同送風位置進行了研究。國外學者CHANG 等［10-11］也對航天員睡眠區的CO2分布情況進行了研究，同時完成了整個空間站的氣流分布模擬研究。本文通過夢天艙實際流場試驗對比驗證了仿真模型的有效性，并引入舒適速度比例、吹風感作為評價指標，進一步對航天員在軌安全性與舒適性進行分析，對優化我國空間站通風設計提供參考。

1 通風流場試驗設計

本次試驗在真實布局的夢天結構熱控艙內進行，測量范圍為航天員活動區，活動區截面如圖1 所示，可近似為邊長為2 000 mm 的正方形區域。共選取19 個截面，每個截面25 個點位，依次進行測量，如圖2 所示。測量時為避免人活動區壁面及突出物對測量干擾，邊緣測量點位距離壁面不小于200 mm。由于艙內各個點風向的不確定性，測量時應選用全向式風速傳感器，綜合考慮艙內空間限制等原因，選用熱球風速儀進行測量。

圖1 夢天艙剖面Fig.1 Schematic diagram of the cross section of the Mengtian lab module

圖2 夢天艙截面位置Fig.2 Schematic diagram of the cross-sectional positions of the Mengtian module

根據試驗得出，熱球風速儀方向特性如圖3 所示，熱球傳感器的水平方向指向性表明水平方向的角度變化不影響風速測量結果；垂直方向的指向性表明氣流方向在與熱球傳感器水平面±45°的范圍內的測量誤差很小，而偏離這個范圍時測量得到的風速則偏小，因此對艙內任一個空間點，本文采用2 個熱球傳感器正交測量，不管這個空間點上的氣流方向是哪個角度，總有一個傳感器與這個氣流方向之間的夾角在±45°之內，因此本文認為2個傳感器測量得到的較大的風速數據為該點的實際風速數據。

圖3 熱球風速傳感器指向特性Fig.3 Directional characteristics of the hot bulb air speed sensor

為保證艙內通風強迫對流為主，需減小自然對流對密封艙內空氣流場的影響。試驗時艙體為水平放置，減小重力方向的空間尺寸，從而減小重力方向上的自然對流。另外，為減小因溫度梯度帶來的自然對流，除與通風系統有關的設備部件以外，其他設備不用電工作。根據：

式中：Gr為格拉曉夫數；Re為雷諾數；g為重力加速度，m/s2；β為空氣特征膨脹系數，℃；L為航天員活動區特征尺寸，m；Ti為回風溫度，℃；T0為空氣特征溫度，℃；U為送風口出口特征風速，m/s。

若Gr/Re2＜0.1，則可基本忽略自然對流的條件［12-15］，對于夢天艙來說，式（1）中g=9.8 m/s2，L=2 m，U=（1.5～2.0）m/s，計算得出，當（Ti-T0）≤（3～5）°C 時，Gr/Re2＜0.1，考慮一定裕度，同時參考TG-1 目標飛行器通風流場試驗時艙內空氣溫度差要求的分析結果，本次試驗過程中控制夢天艙人活動區重力方向上的溫度差不大于2 ℃。如果超過2 ℃，需中斷試驗，打開艙門，關閉通風系統，依靠自然通風方式使艙內溫度差減小，待減小至0.5 ℃以下時可以重新開始試驗。

2 仿真模型

2.1 物理模型

參照夢天艙人員活動區真實尺寸及布局進行建模，模型可近似簡化為矩形，整體尺寸約：8.6 m×2 m×2 m（長×寬×高）。模型風口布局參照艙內布局位置，如圖4 所示。

圖4 仿真模型Fig.4 Schematic diagram of the simulation model

2.2 仿真模型

2.2.1 計算方法

本文采用Standardk-ε模型［16-18］，控制方程通式為

式中：ρ為材料密度，kg/m3；ui為i方向的速度分量，m/s；xi為i方向的坐標；Γφ，eff為有效擴散系數；Sφ為源項，kg/m3·s；t為時間，s。

當φ取值不同時，式（2）可分別表示連續性方程、動能方程、能量方程、組分運輸方程等。

2.2.2 網格劃分與無關性驗證

網格劃分時，風口附近不規則區域采用四面體網格，其他區域采用六面體網格，為保證網格節點統一性與連續性，2 種網格間采用采用網格尺寸函數（Size Function）平滑過渡，圖5 給出了夢天艙軸線不同位置處的在不同網格數下風速的比較結果。由圖5 可知，在不同網格數下，相同位置的風速變化趨勢基本相同，仿真誤差主要集中在在速度拐點處；通過以上網格無關性驗證，表明299 萬的網格數足夠滿足仿真需求。

圖5 不同網格數時風速沿軸線分布曲線Fig.5 Wind speed curves along the X-axis under different grids

圖6 通風流場試驗現場Fig.6 Test site of the ventilation flow field

仿真工況及邊界條件：

仿真工況為空間站夢天艙正常通風狀態，仿真模型采用Standard Wall Function 處理壁面邊界層附近區域的流動，采用Standard Pressure 插值格式對壓力進行離散，采用Second Order Upwind 格式對剩余參數進行離散。通風的邊界設定：進風口參數，艙間送風口質量流量為1.5 m3/min（等于0.030 625 kg/s），送風口質量流量為2 m3/min（等于0.040 833 kg/s）［19］，空氣溫度為25 ℃；回風口設置為自由出流。

3 評價指標

3.1 舒適速度

舒適速度是指在航天員在軌時密封艙人員活動區域內的風速分布情況。依據我國歷次飛行任務的數據反饋，最終選?。?.08～0.50）m/s 作為舒適速度指標，其中最低風速0.08 m/s 的設定，主要是為了保證CO2等呼出氣體的擴散［20］，最高風速0.5 m/s 的設定，主要是避免航天員暴露在過高風速下產生不適；國外相關研究顯示，在國際空間站美國相關艙段中，舒適速度指標要求在（0.051～0.500）m/s 范圍內，且舒適速度整場占比不低于70%，俄羅斯相關艙段中，舒適速度的指標與美國相同，且要求舒適速度整場占比不低于2/3［21］。綜上所述，舒適速度選?。?.08～0.50）m/s 作為指標，人員活動區域內的風速在該范圍所占比例越大，流場越好。

3.2 吹風感指數

FANGER［22-23］及相關國家標準將吹風感定義為“由于氣流帶走人體熱量造成的冷作用所導致的局部不滿意，不舒適度”。本文采用ASHRAE 標準與GB/T33658 中的DR模型［24-25］，公式如下：

式中：T為評價區域平均溫度，°C；v為評價區域為平均速度，m/s；Tu為湍流強度，在10%～60%之間，若未知，一般取40%。DR值越大，人體產生吹風感越明顯，一般要求DR＜40。

4 結果及對比分析

4.1 試驗結果

根據試驗測試數據所繪制的艙內不同截面風速云圖（如圖7 所示），其中低風速區（＜0.08 m/s）均位于距離壁面較近位置，高速區域（＜0.5 m/s）主要位于頂部風口出口附近。舒適速度占比統計見表1。

表1 通風流場試驗舒適速度占比統計表Tab.1 Proportion of the comfortable speed in the ventilation flow field obtained by tests

圖7 艙內不同截面試驗數據云圖Fig.7 Contours of the test Data of different sections in the cabin

試驗測得風速最高的數據為0.853 m/s，取正常艙溫24 ℃，計算最大吹風感為DR=28.508。

續圖7 艙內不同截面試驗數據云圖Continued fig.7 Contours of the test Data of different sections in the cabin

4.2 仿真結果

艙內與試驗相同位置截面的風速仿真云圖如圖8 所示，與試驗結果類似，其中低風速區（＜0.08 m/s）均位于距離壁面較近位置，高速區域（＜0.5 m/s）主要位于頂部風口出口附近。舒適速度占比統計見表2。

表2 通風流場仿真舒適速度占比統計表Tab.2 Proportion of the comfortable speed in the ventilation flow field obtained by simulations

圖8 艙內與試驗相同位置截面的風速仿真云圖Fig.8 Wind speend contours obtained by simulations

仿真得到風速最高為1.25 m/s，在數據點為風口附近，取正常艙溫24 ℃，計算最大吹風感為DR=37.229。

4.3 對比分析

對上述試驗與仿真結果進行對比分析，不同特征截面風速對比如圖9 所示。由圖9 中可知，試驗數據和仿真數據在總體區域上的一致性較高，高速區和低速區在空間上的分布基本一致；通過仿真云圖及試驗數據的舒適速度占比統計對比，兩者偏差在±5%以內，一致性較好，吻合度較高；通過仿真云圖及試驗數據點位風速對比，兩者偏差在±15%以內，一致性較好，基本吻合。綜上，可認為本文的仿真模型及方法可行且準確。

圖9 測試結果和仿真結果對比Fig.9 Comparison of the test（left）and simulation（right）results

對于試驗數據和仿真數據在云圖的細節區域和數值的絕對量值上存在的偏差，其主要原因為：對于仿真計算，仿真的邊界條件與真實狀態仍然存在一定偏差，例如，艙體內的局部突出物，艙體對接狀態，艙壁表面狀態以及儀器區面板上的大量開孔等細節無法在仿真模型中精確表達。

上述試驗數據驗證了仿真模型的準確性，仿真結果有效彌補了試驗數據點位較少的不足，兩者互相彌補，相輔相成，使得對夢天艙通風流場的分析與評價更加準確。

5 結束語

本文針對空間站夢天艙進行了通風流場試驗及數值仿真，并對流場均勻性和安全性、舒適性進行了分析和綜合評價。主要結論和建議是：

1）夢天艙人員活動區通風流場舒適風速占比達92.15%，最大吹風感DR=37.229，滿足航天員在軌安全性與舒適性要求。

2）夢天艙通風流場試驗方法準確，構建的夢天艙數值仿真模型，仿真邊界符合實際工況，評價指標明確，試驗與仿真結果、分析結論是可信的，可以指導空間站通風系統設計。

3）本文提出的風速測量方案，流場試驗與仿真方法，以及通過選擇舒適速度、吹風感指數等指標綜合評價航天員安全性與舒適性的方法，也可用于其他載人航天器等類似情況的通風流場分析。